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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-15
(45)【発行日】2024-01-23
(54)【発明の名称】ＴＳＮ通信システム
(51)【国際特許分類】
H04L 12/44 20060101AFI20240116BHJP
【ＦＩ】
H04L12/44 300
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2022090804
(22)【出願日】2022-06-03
(65)【公開番号】P2023177861
(43)【公開日】2023-12-14
【審査請求日】2022-06-15
(73)【特許権者】
【識別番号】594124029
【氏名又は名称】株式会社インタフェース
(74)【代理人】
【識別番号】100084375
【弁理士】
【氏名又は名称】板谷 康夫
(74)【代理人】
【識別番号】100125221
【弁理士】
【氏名又は名称】水田 愼一
(74)【代理人】
【識別番号】100142077
【弁理士】
【氏名又は名称】板谷 真之
(72)【発明者】
【氏名】峠田 達雄
(72)【発明者】
【氏名】蔵田 光彦
【審査官】中川 幸洋
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２１－１７５０１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第０３７９９３７４（ＥＰ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－０４８０４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００６０１４２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｌ １２／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
時間依存ネットワーキング（ＴＳＮ）機能を使用したＴＳＮスイッチと、外部から共通してアクセス可能なメモリ領域を有した共有メモリと、前記ＴＳＮスイッチを制御するとともに前記共有メモリへのアクセスを制御するＣＰＵコアと、を有したＴＳＮエンドコントローラを備えたＴＳＮ通信システムにおいて、前記ＴＳＮエンドコントローラに内蔵し、又は外部接続したＷｉ－Ｆｉモジュールと、
前記ＴＳＮエンドコントローラに前記Ｗｉ－Ｆｉモジュールを介してＷｉ－Ｆｉ接続したＩＯ機器と、を備え、
前記ＣＰＵコアのＯＳのリアルタイムパッケージ機能を用いて前記ＴＳＮ機能の時刻合わせを有効に設定し、
前記ＴＳＮスイッチに含まれる制御用レジスタを、前記ＴＳＮエンドコントローラから出力されるパケットデータが所定のタイミングで前記ＴＳＮスイッチを通過するように設定し、
前記ＣＰＵコアは、ＩＯ機器から送信されるパケットのヘッダ部の情報に基づいて共有メモリへのアクセスか否かをフィルタリングし、前記フィルタリングにより前記共有メモリへのアクセスであることが確認できたとき前記パケットのデータ部の先頭部分の識別情報に基づいて前記共有メモリへのアクセスを許可するようにＴＳＮスイッチを制御し、
前記１つ又は複数のＴＳＮエンドコントローラが前記Ｗｉ－Ｆｉモジュールを介して複数又は１つの前記ＩＯ機器とＷｉ－Ｆｉ接続され、
ＴＳＮ機能のフィルタリングとＷｉ－Ｆｉのパブリック機能又はサブスクライバ機能とを組み合わせ使用することを特徴としたＴＳＮ通信システム。
【請求項2】
１つのＴＳＮエンドコントローラが、主系及び従系の有線により複数のＴＳＮスイッチコントローラとネットワーク接続され、前記複数のＴＳＮスイッチコントローラが、主系及び従系のＷｉ－Ｆｉ無線により複数のＩＯ機器とネットワーク接続され、
ＣＰＵコアは、主系のネットワークで異常が発生したときに従系のネットワークに切り替えるようにＴＳＮスイッチを制御することを特徴とした請求項１に記載のＴＳＮ通信システム。
【請求項3】
１つのＴＳＮエンドコントローラが、主系及び従系の有線とＷｉ－Ｆｉ無線により複数のＴＳＮスイッチコントローラとネットワーク接続され、前記複数のＴＳＮスイッチコントローラが、主系及び従系の有線により複数のＩＯ機器とネットワーク接続され、
ＣＰＵコアは、主系のネットワークで異常が発生したときに従系のネットワークに切り替えるようにＴＳＮスイッチを制御することを特徴とした請求項１に記載のＴＳＮ通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、共有メモリを搭載したＴＳＮエンドコントローラを使用したＴＳＮ通信システムに関する。
【背景技術】
【0002】
複数のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やサーバーの機器間でデータを共有するための共有メモリは、各機器からリード／ライトが可能なハードウェアのメモリが使用される。この種のメモリのメモリリソースに受信情報のパケットを格納する際に、メモリリソースを効率的に活用するために、スイッチングによりパケットを選別することが知られている（例えば特許文献１参照）。
【0003】
また、一般に複数の機器間でデータを共有させるために、機器に共有メモリを持たせた場合、ＰＣやサーバーの起動順番に制約があり、起動する順番が適切でないと共有メモリが使用できない。そして、ネットワーク、特に、イーサネット（登録商標）接続で共有メモリを実現する場合は、共有メモリへのアクセスやデータ更新の時間が保証されず、共有メモリ専用のネットワークが必要であった。
【0004】
そこで、本出願人は、外部からアクセス可能な共有メモリを搭載したコントローラに、時間依存ネットワーキング（ＴＳＮ）技術を使用するＴＳＮスイッチを搭載することにより、同期性が保証され、リアルタイム性が担保でき、ＰＣやサーバーの起動順番の制約を持たない共有メモリを実現し、さらには、セキュリティ、信頼性が担保された共有メモリを実現した、ＴＳＮエンドコントローラ及びそれを備えたネットワークシステムを提案した（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００８－４２９１５号公報
【文献】特許第６９６００１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記のようなＴＳＮエンドコントローラを備えたネットワークシステムにあっては、共有メモリ専用の有線ネットワークが必要であり、有線接続の場合、ロボットのアクチュエータやケーブルの制限で物理的な接続が困難なことがある。そこで、Ｗｉ－Ｆｉ等の無線ネットワークを使用したい。このときに、無線機能（Ｗｉ－Ｆｉ）にはリアルタイム性が保証されていないために、無線機能（Ｗｉ－Ｆｉ）を使用してＴＳＮエンドコントローラやＰＣを繋いだだけでは、データ転送をしても共有メモリへのアクセスやデータ更新の時間が保証されない。
【0007】
本発明は、上記問題を解消するものであり、ＴＳＮ機能を使用してＷｉ－Ｆｉの無線通信部分でもリアルタイム性が保証され、有線・Ｗｉ－Ｆｉとも共有メモリへのアクセスやデータ更新の時間が保証されるＴＳＮ通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を達成するために、請求項の発明は、 時間依存ネットワーキング（ＴＳＮ）機能を使用したＴＳＮスイッチと、外部から共通してアクセス可能なメモリ領域を有した共有メモリと、前記ＴＳＮスイッチを制御するとともに前記共有メモリへのアクセスを制御するＣＰＵコアと、を有したＴＳＮエンドコントローラを備えたＴＳＮ通信システムにおいて、
前記ＴＳＮエンドコントローラに内蔵し、又は外部接続したＷｉ－Ｆｉモジュールと、
前記ＴＳＮエンドコントローラに前記Ｗｉ－Ｆｉモジュールを介してＷｉ－Ｆｉ接続したＩＯ機器と、を備え、
前記ＣＰＵコアのＯＳのリアルタイムパッケージ機能を用いて前記ＴＳＮ機能の時刻合わせを有効に設定し、
前記ＴＳＮスイッチに含まれる制御用レジスタを、前記ＴＳＮエンドコントローラから出力されるパケットデータが所定のタイミングで前記ＴＳＮスイッチを通過するように設定し、
前記ＣＰＵコアは、ＩＯ機器から送信されるパケットのヘッダ部の情報に基づいて共有メモリへのアクセスか否かをフィルタリングし、前記フィルタリングにより前記共有メモリへのアクセスであることが確認できたとき前記パケットのデータ部の先頭部分の識別情報に基づいて前記共有メモリへのアクセスを許可するようにＴＳＮスイッチを制御し、
前記１つ又は複数のＴＳＮエンドコントローラが前記Ｗｉ－Ｆｉモジュールを介して複数又は１つの前記ＩＯ機器とＷｉ－Ｆｉ接続され、
ＴＳＮ機能のフィルタリングとＷｉ－Ｆｉのパブリック機能又はサブスクライバ機能とを組み合わせ使用することを特徴としたものである。
前記ＴＳＮエンドコントローラに内蔵し、又は外部接続したＷｉ－Ｆｉモジュールと、
前記ＴＳＮエンドコントローラに前記Ｗｉ－Ｆｉモジュールを介してＷｉ－Ｆｉ接続したＩＯ機器と、を備え、
前記ＣＰＵコアのＯＳのリアルタイムパッケージ機能を用いて前記ＴＳＮ機能の時刻合わせを有効に設定し、
前記ＴＳＮスイッチに含まれる制御用レジスタを、前記ＴＳＮエンドコントローラから出力されるパケットデータが所定のタイミングで前記ＴＳＮスイッチを通過するように設定し、
前記ＣＰＵコアは、ＩＯ機器から送信されるパケットのヘッダ部の情報に基づいて共有メモリへのアクセスか否かをフィルタリングし、前記フィルタリングにより前記共有メモリへのアクセスであることが確認できたとき前記パケットのデータ部の先頭部分の識別情報に基づいて前記共有メモリへのアクセスを許可するようにＴＳＮスイッチを制御し、
前記１つ又は複数のＴＳＮエンドコントローラが前記Ｗｉ－Ｆｉモジュールを介して複数又は１つの前記ＩＯ機器とＷｉ－Ｆｉ接続され、
ＴＳＮ機能のフィルタリングとＷｉ－Ｆｉのパブリック機能又はサブスクライバ機能とを組み合わせ使用することを特徴としたものである。
【0011】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、１つのＴＳＮエンドコントローラが、主系及び従系の有線により複数のＴＳＮスイッチコントローラとネットワーク接続され、
前記複数のＴＳＮスイッチコントローラが、主系及び従系のＷｉ－Ｆｉ無線により複数のＩＯ機器とネットワーク接続され、
ＣＰＵコアは、主系のネットワークで異常が発生したときに従系のネットワークに切り替えるようにＴＳＮスイッチを制御することを特徴としたものである。
前記複数のＴＳＮスイッチコントローラが、主系及び従系のＷｉ－Ｆｉ無線により複数のＩＯ機器とネットワーク接続され、
ＣＰＵコアは、主系のネットワークで異常が発生したときに従系のネットワークに切り替えるようにＴＳＮスイッチを制御することを特徴としたものである。
【0012】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、１つのＴＳＮエンドコントローラが、主系及び従系の有線とＷｉ－Ｆｉ無線により複数のＴＳＮスイッチコントローラとネットワーク接続され、
前記複数のＴＳＮスイッチコントローラが、主系及び従系の有線により複数のＩＯ機器とネットワーク接続され、
ＣＰＵコアは、主系のネットワークで異常が発生したときに従系のネットワークに切り替えるようにＴＳＮスイッチを制御することを特徴としたものである。
前記複数のＴＳＮスイッチコントローラが、主系及び従系の有線により複数のＩＯ機器とネットワーク接続され、
ＣＰＵコアは、主系のネットワークで異常が発生したときに従系のネットワークに切り替えるようにＴＳＮスイッチを制御することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【0013】
請求項１の発明によれば、ＴＳＮエンドコントローラとＷｉ－Ｆｉ接続したＩＯ機器（ＰＣやサーバー）との間の時間合わせを設定することで、Ｗｉ－Ｆｉの無線通信部分でもリアルタイム性が保証され、Ｗｉ－Ｆｉの無線接続機能が有効となり、有線・Ｗｉ－Ｆｉとも共有メモリへのアクセスやデータ更新の時間が保証され、イーサネット接続の共有メモリが実現できる。そして、フィルタリング機能によりセキュリティが担保され、更新機器の選択や制限を図れ、ＩＯ機器（外部装置・センサなど）のデジタル／アナログ信号入力値取得と、デジタル／アナログ信号出力制御を設定した時間で制御可能となる。また、Ｗｉ－Ｆｉ機能とＰｕｂ／Ｓｕｂ機能を組み合わせて、１対ｎ、ｍ対１、ｍ対ｎなどの接続構成でも、アクセス時間が保証され、共有メモリの情報更新や、接続したＩＯ機器の制御のリアルタイム性が保証される。
【0016】
請求項２，３の発明によれば、有線と無線の両方で冗長接続にも対応し、冗長接続をし
た主系のネットワークで障害発生時に、従系のネットワークに切り替えが可能となり、ネ
ットワークの断線時もデータロス無しで転送を継続可能となる。
た主系のネットワークで障害発生時に、従系のネットワークに切り替えが可能となり、ネ
ットワークの断線時もデータロス無しで転送を継続可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の前提となるＴＳＮエンドコントローラのブロック構成図。
【図2】上記ＴＳＮエンドコントローラのＩＯ機器との接続を示す構成図。
【図3】上記ＴＳＮエンドコントローラの共有メモリのメモリ領域設定を示す図。
【図4】上記ＴＳＮエンドコントローラの共有メモリへのＩＯ機器からのデータ送信動作を示す図。
【図5】上記ＴＳＮエンドコントローラの共有メモリへＩＯ機器からアクセスを可能とするＴＳＮスイッチのフィルタリングを説明する図。
【図6】上記ＴＳＮエンドコントローラとＩＯ機器とが経路冗長接続されているネットワークシステムにおいて障害が発生した場合の動作を説明する図。
【図7】上記ＴＳＮエンドコントローラを使用したデジタル／アナログ信号取得のための構成を示す図。
【図8】上記ＴＳＮエンドコントローラとＩＯ機器とが経路冗長接続されているネットワークシステムにおいてデジタル／アナログ信号取得のための構成を示す図。
【図9】上記ＴＳＮエンドコントローラを使用した、装置のデジタル／アナログ制御のための構成を示す図。
【図10】上記ＴＳＮエンドコントローラとＩＯ機器とが経路冗長接続されているネットワークシステムでの装置をデジタル／アナログ制御するための構成を示す図。
【図11】上記ＴＳＮエンドコントローラを使用した、装置のデジタル／アナログ同期制御のための構成を示す図。
【図12A】本発明の実施形態に係るＴＳＮ通信システムを構築する主なハードウェアのＷｉ－Ｆｉ機能内蔵構成を示す図。
【図12B】本発明の実施形態に係るＴＳＮ通信システムを構築する主なハードウェアのＷｉ－Ｆｉ機能を外部接続した構成を示す図。
【図13】上記ＴＳＮ通信システムにおける外部のＩＯ機器との接続例を示す図。
【図14】（ａ）（ｂ）（ｃ）は上記ＴＳＮ通信システムにおいてＷｉ－Ｆｉ機能とＰｕｂ／Ｓｕｂ機能を組み合わせた接続例を示す図。
【図15A】上記ＴＳＮ通信システムのＷｉ－Ｆｉ冗長接続例における障害発生の前後を示す図。
【図15B】上記ＴＳＮ通信システムの有線とＷｉ－Ｆｉの冗長接続例における障害発生の前後を示す図。
【図16】上記ＴＳＮ通信システムにおいて装置・センサからのデジタル／アナログ信号を取得する接続例を示す図。
【図17】上記ＴＳＮ通信システムにおいて装置・センサからのデジタル／アナログ信号を取得する経路冗長接続例を示す図。
【図18】上記ＴＳＮ通信システムにおいて装置をデジタル／アナログ制御する接続例を示す図。
【図19】上記ＴＳＮ通信システムにおいて装置をデジタル／アナログ制御する経路冗長接続例を示す図。
【図20】上記ＴＳＮ通信システムにおいて装置に同期信号を出力する接続例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0018】
（本発明の前提）
以下、本発明の前提となるＴＳＮエンドコントローラを備えたネットワークシステムについて図面を参照して説明する。図１は、時間依存ネットワーキング（ＴＳＮ）技術を使用したＴＳＮエンドコントローラ１を示す。ＴＳＮエンドコントローラ１は、ＴＳＮに対応したポート２と、アナログ信号とデジタル信号を相互変換するＰＨＹデバイス３と、ＴＳＮスイッチ４と、ＣＰＵコア５と、共有メモリ６と、を備える。ＴＳＮスイッチ４及びＣＰＵコア５は、ＦＰＧＡ７に搭載されている。ポート２は、ネットワーク、例えばイーサネット（登録商標）に接続される。ＰＨＹデバイス３は、ポート２に接続され、ＴＳＮスイッチ４はＰＨＹデバイス３に接続され、ＣＰＵコア５はＴＳＮスイッチ４に接続されている。共有メモリ６は、ネットワークを介して外部から共通してアクセス可能なメモリ領域を有している。
以下、本発明の前提となるＴＳＮエンドコントローラを備えたネットワークシステムについて図面を参照して説明する。図１は、時間依存ネットワーキング（ＴＳＮ）技術を使用したＴＳＮエンドコントローラ１を示す。ＴＳＮエンドコントローラ１は、ＴＳＮに対応したポート２と、アナログ信号とデジタル信号を相互変換するＰＨＹデバイス３と、ＴＳＮスイッチ４と、ＣＰＵコア５と、共有メモリ６と、を備える。ＴＳＮスイッチ４及びＣＰＵコア５は、ＦＰＧＡ７に搭載されている。ポート２は、ネットワーク、例えばイーサネット（登録商標）に接続される。ＰＨＹデバイス３は、ポート２に接続され、ＴＳＮスイッチ４はＰＨＹデバイス３に接続され、ＣＰＵコア５はＴＳＮスイッチ４に接続されている。共有メモリ６は、ネットワークを介して外部から共通してアクセス可能なメモリ領域を有している。
【0019】
ＴＳＮスイッチ４は、システム間でデータをインサーネット・ネットワーク経由で送信するためのプロトコルを規定するＴＳＮに対応した機能スイッチである。ＴＳＮは、ネットワーク全体で時刻を同期化する時刻同期機能、リアルタイムデータ送信を可能とする（アクセス時間保証）機能、スケジューリング（時刻合わせ）機能、ゲート制御機能、割り込み機能等を備えている（ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ－Ｒｅｖ、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑａｖ、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑｂｖ、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑｂｕ、ＩＥＥＥ８０２．３ｂｒ）。ＴＳＮスイッチ４をＴＳＮのプロトコルに従い制御し、かつ共有メモリ６にアクセスするためのプログラムをＦＰＧＡ７（ＣＰＵコア５）に格納している。
【0020】
このようなＴＳＮスイッチ４を、外部からアクセス可能な共有メモリ６を搭載したＴＳＮエンドコントローラ１に搭載することにより、外部端末であるＰＣやサーバー等のＩＯ機器の起動順番の制約を持たない共有メモリ６を実現でき、同期性が保証され、リアルタイム性が担保できる。すなわち、イーサネット（登録商標）接続された共有メモリ６へのアクセスやデータ更新の時間が保証され、外部端末のＰＣやサーバーは起動順番の制約がなくなる。
【0021】
図２は、ＴＳＮエンドコントローラ１のＩＯ機器１１との接続を示す。ＩＯ機器１１は、パーソナルコンピュータＰＣ（Ａ）、ＰＣ（Ｂ）、サーバー（Ｃ）、サーバー（Ｄ）等で成り、ＴＳＮエンドコントローラ１のポート２にインサーネットのネットワーク１２により接続される。このようなネットワーク構成とすることで、共有メモリ６へのアクセスやデータ更新の時間が保証され、フィルタリング機能によりセキュリティを担保することができる。その結果、共有メモリ６は、ＩＯ機器１１の起動順番の制約のないメモリとなる。
【0022】
また、ＴＳＮスイッチ４に搭載した共有メモリ６は、ＴＳＮ技術で時刻同期、リアルタイムデータ伝送、経路冗長接続が可能となる。ＴＳＮスイッチ４に搭載した共有メモリ６は、ＯＳに依存せず、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ、マイコンなどから簡単にアクセスできる。ＴＳＮスイッチ４へは、ＴＳＮ対応ＰＣも、ＴＳＮ非対応ＰＣも接続できる。ＰＣとＴＳＮスイッチ４間の高精度なリアルタイム制御は、ＴＳＮ対応ＰＣ（Ａｐｏｌｌｏ Ｌａｋｅなど）のみ使用可能である。ＰＣからＴＳＮスイッチ４の共有メモリ６しか接続できない設定を設けてもよく、一般通信を遮断することでセキュリティ強化が行える。
【0023】
図３は、ＴＳＮエンドコントローラ１の共有メモリ６のメモリ領域設定を示す。ここには、ＶＬＡＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ ＬＡＮ）を使用したアクセス権の設定例を示す。メモリの領域毎に、読み込みのみ（ＲＯ）、書き込みのみ（ＷＯ）、読み書き両方（Ｗ／Ｒ）、読み書き禁止（ＷＩ）の４パターンを設定可能とした。
【0024】
図４は、ＴＳＮエンドコントローラ１の共有メモリ６へのＩＯ機器１１からのデータ送信動作を示す。ＩＯ機器１１としてのＰＣ（Ａ）、ＰＣ（Ｂ）、ＰＣ（Ｃ）、ＰＣ（Ｄ）から送信されるパケット２１～２４、３１～３４について、ＴＳＮスイッチ４の時刻同期下の各機器からのアクセスタイミングと、スイッチのゲート設定時間制御とにより、他のデータ転送中でも、時間間隔を保証し、共有メモリ６へリアルタイムでのデータ送信を可能とする。
【0025】
図５は、共有メモリ６へアクセスする際のＴＳＮスイッチ４のフィルタリングを説明する図である。フィルタリングは、（１）パケット４０のヘッダ部４１の情報を使用したフィルタリング機能と、（２）パケット４０のデータ部４２の先頭部分４３の情報を使用したフィルタリング機能とで行い、共有メモリ６へのアクセスを制限する（ＩＥＥＥ８０２．１Ｑｃｉ）。これにより、許可された接続先から許可されたアクセスのパケット４０のみ共有メモリ６へアクセスが可能となる。
【0026】
（１）のフィルタリングは、リアルタイム性を確保するため、パケット４０のヘッダ部４１の情報でフィルタリングし、接続先の確認とパケットの転送を可能とする。ここに、ＭＡＣアドレス、プライオリティ、カウント数、ＶＬＡＮなどを使用する。ＴＳＮスイッチ４のＶＬＡＮは、ＭＡＣアドレスの接続許可／禁止を認証し、ＭＡＣアドレスが認証されないと、ＶＬＡＮ（グループ）に接続できない。
（２）のフィルタリングは、（１）のフィルタリングで、搭載されている共有メモリ６へのアクセスであることを確認すれば、データ部４２の先頭部分４３に予め取り決めをしたフォーマットのデータが有るかを見てフィルタリングする。
（２）のフィルタリングは、（１）のフィルタリングで、搭載されている共有メモリ６へのアクセスであることを確認すれば、データ部４２の先頭部分４３に予め取り決めをしたフォーマットのデータが有るかを見てフィルタリングする。
【0027】
フィルタリングは、ＣＰＵコア５がＴＳＮスイッチ４を制御することで成される。すなわち、ＣＰＵコア５は、ＴＳＮスイッチ４をして、ＩＯ機器１１から送信されるパケット４０のヘッダ部４１の情報に基づいて共有メモリ６へのアクセスか否かをフィルタリングし、フィルタリングにより共有メモリ６へのアクセスであることが確認できたときパケット４０のデータ部４２の先頭部分４３の識別情報に基づいて共有メモリ６へのアクセスを許可する
【0028】
図６は、ＴＳＮエンドコントローラ１とＩＯ機器１１とが経路冗長接続１５されているネットワークシステムにおいて障害が発生する前と後のネットワーク切り替えを示す。ＴＳＮエンドコントローラ１は、図１に示したものと同等であり、ポート２等の図示を省いている（以下、同様）。ここに、ＴＳＮエンドコントローラ１とＩＯ機器１１とは、冗長接続のための主系ネットワーク５１（実線で示す）及び従系ネットワーク５２（破線で示す）を介して接続されている。ＴＳＮエンドコントローラ１のＣＰＵコア５は、主系ネットワーク５１で異常が発生したときに従系ネットワーク５２に切り替えるようにＴＳＮスイッチ４を制御する。主系ネットワーク５１及び従系ネットワーク５２に、ＴＳＮスイッチコントローラ１３，１４を介在させている。ＴＳＮスイッチコントローラ１３，１４は、ＴＳＮスイッチ４よりも機能は少なくてよく（共有メモリとのＩＯの機能を有していない）、ＡＳＩＣ（マイコン）を内蔵し、ＦＰＧＡに搭載され、時刻同期、スケジューリング、冗長接続の機能を有していればよい。
【0029】
障害発生時のネットワーク切り替えは、ＴＳＮスイッチ４及びＴＳＮスイッチコントローラ１３，１４が動作することにより成される。請求項では、これら両者を含めてＴＳＮスイッチと称している。図６の上図において、ＴＳＮスイッチコントローラ１３を経由していた主系ネットワーク５１で障害が発生した場合、ＴＳＮスイッチはネットワークを切り替えて、図６の下図のＴＳＮスイッチコントローラ１４を経由する、障害発生前は従系であったネットワークを主系ネットワーク５１とする。こうして、ＴＳＮ技術を利用することで、冗長接続をした主系のネットワークで異常が発生した場合に、パケットをロスすることなく従系のネットワークに切り替えが可能となる。このため、線路冗長接続１５に対応してネットワークの断線時、障害発生時もパケットロス無しでデータ転送継続が可能なシステムの構築が可能となる（ＩＥＥＥ８０２．１ＣＢ）。
【0030】
ここで、主系及び従系のネットワーク切り替えの例を説明する。通常、送信元からパケット及びその複製パケットをそれぞれ主系及び従系を経て送信し、送信先で主系からのパケットが正常であればそのまま受信し、従系からの複製パケットは破棄する。送信先で主系からのパケットを受信できなかったときは、従系経由で受信したパケットを受信する。一方、送信先で主系からのパケットが異常であることを検出したときは、従系からの複製パケットを受信し、データ転送を継続する。
【0031】
図７は、ＴＳＮエンドコントローラ１を使用したデジタル／アナログ信号取得（ＤＩ／ＡＤ入力機能）のための構成を示す。ここに、デジタル／アナログ信号を取得する装置・センサ１６がＴＳＮエンドコントローラ１に接続され（実際にはポートを介して接続される。以下同様）、ＴＳＮエンドコントローラ１は、ネットワーク１２を介してＩＯ機器１１に接続されている。ＴＳＮエンドコントローラ１は装置・センサ１６からデジタル／アナログ信号を設定した時間間隔で取得し共有メモリ６に書き込み、ＩＯ機器１１は、共有メモリ６にアクセスしてデジタル／アナログ信号入力値を取得できる。
【0032】
上記により、共有メモリ６にイーサネット（登録商標）経由でリアルタイムにアクセスできる利点を活かし、ＴＳＮスイッチ４の共有メモリ６を利用したデジタル／アナログ信号の制御回路を実装し、時刻同期／リアルタイム／優先度設定／経路冗長接続が可能なイーサネット（登録商標）接続のＩＯを実現できる。また、デジタル／アナログ信号伝送遅延（ＤＥＬＡＹ）とジッタを設定可能である。また、経路を冗長接続することで、障害発生時でもデジタル／アナログ信号入力値を、設定した時間間隔で取得可能となる。
【0033】
図８は、ＴＳＮエンドコントローラ１とＩＯ機器１１とが経路冗長接続１５されているネットワークシステムにおいてデジタル／アナログ信号取得のための構成を示す。これは、図６に示した、ＩＯ機器１１と経路冗長接続１５されたＴＳＮエンドコントローラ１に、デジタル／アナログ信号を取得する装置・センサ１６を接続したものである。このように経路を冗長接続することで、障害発生時でも、ＩＯ機器１１は、ＴＳＮエンドコントローラ１を経由して装置・センサ１６のデジタル／アナログ信号入力値を、設定した時間間隔で取得可能となる。
【0034】
図９は、ＴＳＮエンドコントローラ１に接続された装置１７をデジタル／アナログ（ＤＯ／ＤＡ出力機能）制御するための構成を示す。この構成により、ＴＳＮエンドコントローラ１の共有メモリ６を使用したＩＯ制御デジタル／アナログ制御を用いて、ＩＯ機器１１から装置１７のデジタル／アナログ制御がリアルタイムで可能となる。
【0035】
図１０は、ＴＳＮエンドコントローラ１とＩＯ機器１１とが経路冗長接続１５されているネットワークシステムでの装置１７をデジタル／アナログ制御するための構成を示す。この構成により、ＴＳＮエンドコントローラ１の共有メモリ６を使用したＩＯ制御デジタル／アナログ制御を用いて、ＩＯ機器１１から、装置１７のデジタル／アナログ制御がリアルタイムで可能となる。また、経路を冗長接続することで、障害発生時でも制御継続が可能となる。
【0036】
図１１は、ＴＳＮエンドコントローラ１を使用した、装置１７のデジタル／アナログ同期制御のための構成を示す。ＴＳＮエンドコントローラ１から同期制御用の同期信号（ＰＰＳ）を出力する。この構成により、デジタル制御、アナログ制御信号の出力とは別に、ＩＯ機器１１から、ＴＳＮエンドコントローラ１の共有メモリ６を使用した制御同期信号（ＰＰＳ）を出力可能で、装置１７の制御を同期させることができる。
【0037】
（本発明の実施形態）
以下、図１２乃至図２０を参照して、本発明の実施形態に係るＴＳＮ通信システムについて説明する。図１２は、ＴＳＮ通信システム１００の主なハードウェア構成を示す。ＴＳＮ通信システム１００は、上述したＴＳＮエンドコントローラ１を備え、このＴＳＮエンドコントローラ１にＷｉ－Ｆｉモジュール６１を内蔵し、又は外部接続している。ＴＳＮエンドコントローラ１は、時間依存ネットワーキング（ＴＳＮ）技術を使用したＴＳＮスイッチ４と、外部から共通してアクセス可能なメモリ領域を有した共有メモリ６と、ＴＳＮスイッチ４を制御するとともに共有メモリ６へのアクセスを制御するＣＰＵコア５と、を有する。ＣＰＵコア５とＴＳＮスイッチ４はＦＰＧＡ７に搭載されている。
以下、図１２乃至図２０を参照して、本発明の実施形態に係るＴＳＮ通信システムについて説明する。図１２は、ＴＳＮ通信システム１００の主なハードウェア構成を示す。ＴＳＮ通信システム１００は、上述したＴＳＮエンドコントローラ１を備え、このＴＳＮエンドコントローラ１にＷｉ－Ｆｉモジュール６１を内蔵し、又は外部接続している。ＴＳＮエンドコントローラ１は、時間依存ネットワーキング（ＴＳＮ）技術を使用したＴＳＮスイッチ４と、外部から共通してアクセス可能なメモリ領域を有した共有メモリ６と、ＴＳＮスイッチ４を制御するとともに共有メモリ６へのアクセスを制御するＣＰＵコア５と、を有する。ＣＰＵコア５とＴＳＮスイッチ４はＦＰＧＡ７に搭載されている。
【0038】
図１２Ａは、Ｗｉ－Ｆｉ機能を内蔵した例を示す。Ｗｉ－Ｆｉモジュール６１は、ＴＳＮエンドコントローラ１のＣＰＵコア５に接続されている。Ｗｉ－Ｆｉモジュール６１のポート２はＷｉ－Ｆｉポート６２となり、このＷｉ－Ｆｉポート６２に外部のＩＯ機器（ＰＣやサーバー、図示なし）がＷｉ－Ｆｉ接続される。ＴＳＮエンドコントローラ１のポート２は、ＴＳＮ対応のインサーネットポート１２Ｐとなり、外部のＩＯ機器が接続される。
【0039】
図１２Ｂは、Ｗｉ－Ｆｉ機能を外部接続した例を示す。ＴＳＮ通信システム１００は、ＴＳＮエンドコントローラ１とＷｉ－Ｆｉ外部接続装置６３を備える。Ｗｉ－Ｆｉ外部接続装置６３は、ＣＰＵコア６４、Ｗｉ－Ｆｉモジュール６１及びＬＡＮコントローラ６５を備え、ＬＡＮコントローラ６５のポート２はＴＳＮ対応のインサーネットポート１２Ｐとなり、このインサーネットポート１２Ｐを介してＴＳＮエンドコントローラ１に接続される。Ｗｉ－Ｆｉモジュール６１のポート２はＷｉ－Ｆｉポート６２となり、このＷｉ－Ｆｉポート６２に外部のＩＯ機器がＷｉ－Ｆｉ接続される。
【0040】
図１３は、図１２Ａに示したＴＳＮ通信システム１００の場合のＩＯ機器との接続例を示す。Ｗｉ－Ｆｉポート６２には、Ｗｉ－Ｆｉアプリケーション６６を通してＩＯ機器１１（ＰＣ Ｅ）が接続される。インサーネットポート１２Ｐには、インサーネットのネットワーク１２を介してＬＡＮコントローラを有しているＩＯ機器１１（ＰＣ Ａ， ＰＣ Ｂ， Ｓｅｒｖｅｒ Ｃ， Ｓｅｒｖｅｒ Ｄ）が接続される。ここに、ＴＳＮ通信システム１００として、ＴＳＮエンドコントローラ１とＩＯ機器１１とがＷｉ－Ｆｉ接続され、Ｗｉ－Ｆｉで接続した機器同士のリアルタイム性を確保する必要がある。そのために、１）無線機能（Ｗｉ－Ｆｉ）で接続したＴＳＮエンドコントローラ１やＰＣ等のＩＯ機器１１の時刻合わせに加えて、２）ＴＳＮスイッチ４を介して送信するデータ（パケット）を時刻によるゲート制御（タイムシェアリング）して無線機能（Ｗｉ－Ｆｉ）に流すパケットを時間で管理することが必要である。
【0041】
１）は、ＣＰＵコア５のＯＳのリアルタイムパッケージの機能（プログラム）を実行して、ネットワーク接続されたデバイス間で合わせた時刻をシステムに反映することで達成される。２）は、ＴＳＮスイッチ４に含まれる制御用レジスタを、ＴＳＮエンドコントローラ１から出力されるパケットデータが所定のタイミングでＴＳＮスイッチ４を通過するように設定することで達成される。接続先のＰＣに搭載されているＬＡＮのコントローラを設定しても構わない。システム全体の時刻を合わせることで、データ出力や通過を時刻でコントロールできるようになり、全体のリアルタイム性が確保され、Ｗｉ－Ｆｉに接続した経路に対しても、送信するパケットのリアルタイム性（設定した時間内にパケット送信できる）が確保できるようになる。
【0042】
このようにＷｉ－Ｆｉで接続したＴＳＮ通信システム１００においては、機器間でのＷｉ－Ｆｉ送信データは、ＴＳＮ技術により設定したタイミング・間隔でデータ送信されることになり、システム全体としてのリアルタイム性が保証される。詳細には、無線機能（Ｗｉ－Ｆｉ）で接続した状態でＴＳＮの時刻同期機能を使用して、無線（Ｗｉ－Ｆｉ）で接続した機器間（無線部分の伝搬遅延も考慮された）の時刻を合わせることが可能であり、リアルタイムデータ送信機能については、データ送信のデータ出力のタイミングは、ＴＳＮ技術で設定できるので、無線機能（Ｗｉ－Ｆｉ）を介しても（Ｗｉ－Ｆｉにその機能が無くても）、データを送信するタイミングにリアルタイム性（一定時間内に処理を完了させる）をもたせることが可能となる。
【0043】
また、有線ではケーブル配線の物理的な制約で接続できない箇所があっても、Ｗｉ－Ｆｉの無線技術を使用することで、システム全体の省配線化と軽量化が可能となり、また、複数の周波数を使用したデータ転送をすることで、転送速度と信頼性の向上も図れる。
【0044】
図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各種Ｗｉ－Ｆｉ接続（無線にはｗを付している）のＴＳＮ通信システム１００を示す。ＴＳＮエンドコントローラ１、Ｗｉ－Ｆｉモジュール６１は、図１２と同じ構成を有する（図示は簡略化）。図１４（ａ）は、Ｗｉ－Ｆｉ Ｄｉｒｅｃｔ機能（１対１接続）を利用したＴＳＮ通信システム１００を示す。この構成においてＴＳＮのフィルタリングにより、接続先をホワイトリストで設定したものだけに特定することができる。
【0045】
図１４（ｂ）は、Ｗｉ－Ｆｉ機能とＰｕｂｌｉｓｈｅｒ機能を組み合わせた接続例を示す。図１４（ｃ）は、Ｗｉ－Ｆｉ機能とＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒ機能を組み合わせた接続例を示す。このようにＷｉ－Ｆｉ機能とＰｕｂ（Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ）機能との組み合わせで、複数のＳｕｂ（Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ）に同時にデータ送信可能となり、Ｗｉ－Ｆｉ機能とＳｕｂ（Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ）機能との組み合わせで、複数のＰｕｂ（Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ）に同時にデータ送信可能となり、ｍ対１、１対ｎ接続の構成においても、１台又は複数台の共有メモリ６の情報更新や接続したＩＯ機器１１（ＰＣ Ｅ他）の制御のリアルタイム性が保証される。換言すると、無線機能（Ｗｉ－Ｆｉ）がサポートしている接続方法とＴＳＮのフィルタリング機能を組みわせることで、複数台の共有メモリの同時更新と、接続先が制限できるのでセキュリティが担保できる。
【0046】
図１５Ａは、ＴＳＮ通信システム１００のＷｉ－Ｆｉ冗長接続例における障害発生の前後を示す。ＴＳＮ技術を利用することで、線路冗長接続１５をした主系・無線のネットワークで異常が発生した場合に、パケットをロスすることなく従系・無線のネットワークに切り替えが可能となる。有線・無線とも、実線が使用状態、破線が不使用状態の線を示している。
【0047】
図１５Ｂは、ＴＳＮ通信システム１００の有線とＷｉ－Ｆｉの冗長接続例における障害発生の前後を示す。Ｗｉ－Ｆｉと有線でバックアップ経路を用意することで、有線、又は、Ｗｉ－Ｆｉのネットワークで異常が発生した場合に、パケットをロスすることなく従系のネットワークに切り替えが可能となる。
【0048】
図１６は、装置・センサ１６からデジタル／アナログ信号を取得する接続例を示す。共有メモリを使用したＩＯ制御によるデジタル／アナログ入力を行う場合に、Ｗｉ－ＦｉとＴＳＮ技術を組み合わせることで、ＩＯ機器１１は、有線接続が困難な場所に配置した装置・センサ１６などのデジタル／アナログ信号の入力値を、設定した時間間隔で取得可能となる。
【0049】
図１７は、装置・センサ１６からのデジタル／アナログ信号を取得する経路冗長接続例を示す。共有メモリを使用したＩＯ制御によるデジタル／アナログ入力を行う場合に、Ｗｉ－ＦｉとＴＳＮ技術を組み合わせることで、ＩＯ機器１１は、有線接続が困難な場所に配置した装置・センサ１６などのデジタル／アナログ信号入力値を、設定した時間間隔で取得可能となる。経路を冗長接続することで、障害発生時でもデジタル／アナログ信号入力値を、設定した時間間隔で取得可能となる。
【0050】
図１８は、装置１７をデジタル／アナログ制御する接続例を示す。共有メモリを使用したＩＯ制御によりデジタル／アナログ制御を行う場合に、Ｗｉ－ＦｉとＴＳＮ技術を組み合わせることで、ＩＯ機器１１は、有線接続が困難な場所に配置した装置１７などをデジタル／アナログ制御する。制御がリアルタイムで可能となる。
【0051】
図１９は、装置１７をデジタル／アナログ制御する経路冗長接続例を示す。共有メモリを使用したＩＯ制御によりデジタル／アナログ制御を行う場合に、Ｗｉ－ＦｉとＴＳＮ技術を組み合わせることで、ＩＯ機器１１は、有線接続が困難な場所に配置した装置１７などをデジタル／アナログ制御する。制御がリアルタイムで可能となる。経路を冗長接続することで、障害発生時でも制御継続が可能となる。
【0052】
図２０は、装置１７に同期信号を出力する接続例を示す。共有メモリを使用したＩＯ制御において、Ｗｉ－ＦｉとＴＳＮ技術を組み合わせることで、ＩＯ機器１１は、有線接続が困難な場所に配置した装置１７などをデジタル制御し、アナログ制御信号の出力とは別に、同期制御用の同期信号（ＰＰＳ）を出力し、各装置の制御を同期させることができる。
【0053】
本発明は、上記実施形態の構成に限られず、種々の変形が可能である。ＴＳＮの時刻同期とリアルタイムデータ送信機能を、Ｗｉ－Ｆｉ機能に合わせて設定されれば、Ｗｉ－ＦｉがＴＳＮ技術にサポートされ、Ｗｉ－Ｆｉ無線により複数周波数のチャネルを使用した冗長接続も可能となり、転送速度と信頼性が向上する。
【符号の説明】
【0054】
１ ＴＳＮエンドコントローラ
２ ポート
３ ＰＨＹデバイス
４ ＴＳＮスイッチ
５ ＣＰＵコア
６ 共有メモリ
７ ＦＰＧＡ
１１ ＩＯ機器
１２ ネットワーク
１２Ｐ インサーネットポート
１３ ＴＳＮスイッチコントローラ
１４ ＴＳＮスイッチコントローラ
１５ 経路冗長接続
１６ 装置・センサ
１７ 装置
２１～２４、３１～３４ パケット
４０ パケット
４１ ヘッダ部
４２ データ部
４３ 先頭部分
５１ 主系ネットワーク
５２ 従系ネットワーク
６１ Ｗｉ－Ｆｉモジュール
６２ Ｗｉ－Ｆｉポート
６３ Ｗｉ－Ｆｉ外部接続装置
６４ ＣＰＵコア
６５ ＬＡＮコントローラ
６６ Ｗｉ－Ｆｉアプリケーション
１００ ＴＳＮ通信システム
２ ポート
３ ＰＨＹデバイス
４ ＴＳＮスイッチ
５ ＣＰＵコア
６ 共有メモリ
７ ＦＰＧＡ
１１ ＩＯ機器
１２ ネットワーク
１２Ｐ インサーネットポート
１３ ＴＳＮスイッチコントローラ
１４ ＴＳＮスイッチコントローラ
１５ 経路冗長接続
１６ 装置・センサ
１７ 装置
２１～２４、３１～３４ パケット
４０ パケット
４１ ヘッダ部
４２ データ部
４３ 先頭部分
５１ 主系ネットワーク
５２ 従系ネットワーク
６１ Ｗｉ－Ｆｉモジュール
６２ Ｗｉ－Ｆｉポート
６３ Ｗｉ－Ｆｉ外部接続装置
６４ ＣＰＵコア
６５ ＬＡＮコントローラ
６６ Ｗｉ－Ｆｉアプリケーション
１００ ＴＳＮ通信システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
